Högpresterande fiberförstärkta cementkompositer

Högpresterande fiberförstärkta cementbaserade kompositer ( HPFRCC) är en grupp fiberförstärkta cementbaserade kompositer som har den unika förmågan att böja och självförstärka innan de spricker. Denna speciella betongklass har utvecklats med målet att lösa de strukturella problem som är inneboende med dagens typiska betong, såsom dess tendens att gå sönder på ett sprött sätt under överbelastning och dess brist på långvarig hållbarhet. På grund av sin design och sammansättning har HPFRCC:er den anmärkningsvärda förmågan att plastiskt ge efter och härda under överdriven belastning, så att de böjer eller deformeras innan de spricker, ett beteende som liknar det som de flesta metaller uppvisar under drag- eller böjpåkänningar. På grund av denna förmåga är HPFRCC mer motståndskraftiga mot sprickbildning och håller betydligt längre än vanlig betong. En annan extremt önskvärd egenskap hos HPFRCC är deras låga densitet. Ett mindre tätt och därmed lättare material innebär att HPFRCC så småningom kan kräva mycket mindre energi för att producera och hantera, vilket anser dem vara ett mer ekonomiskt byggmaterial. På grund av HPFRCC:s lätta sammansättning och förmåga att töjhärda, har det föreslagits att de så småningom skulle kunna bli ett mer hållbart och effektivt alternativ till typisk betong.

HPFRCC är helt enkelt en underkategori av duktila fiberförstärkta cementkompositer (DFRCC) som har förmågan att töjhärda under både böj- och dragbelastningar, inte att förväxla med andra DFRCC som bara töjhärdar under böjbelastningar.

Sammansättning

Eftersom flera specifika formler ingår i HPFRCC-klassen, varierar deras fysikaliska sammansättningar avsevärt. Men de flesta HPFRCC innehåller åtminstone följande ingredienser: fina aggregat , ett supermjukgörare , polymera eller metalliska fibrer , cement och vatten. Sålunda ligger den huvudsakliga skillnaden mellan HPFRCC och typisk betongsammansättning i HPFRCCs brist på grova ballast. Vanligtvis används ett fint aggregat såsom kiseldioxidsand i HPFRCC.

Materialegenskaper

Töjningshärdning, den mest eftertraktade förmågan hos HPFRCCs, uppstår när ett material belastas förbi sin elastiska gräns och börjar deformeras plastiskt. Denna sträckande eller "ansträngande" verkan stärker faktiskt materialet. Detta fenomen möjliggörs genom utvecklingen av flera mikroskopiska sprickor, i motsats till det enkla sprick-/töjningsmjukningsbeteendet som uppvisas av typiska fiberarmerade betonger. Det förekommer i HPFRCC när flera fibrer glider förbi varandra.

En aspekt av HPFRCC-design involverar förhindrande av sprickutbredning, eller tendensen hos en spricka att öka i längd, vilket i slutändan leder till materialbrott. Denna förekomst hindras av närvaron av fiberbryggning, en egenskap som de flesta HPFRCC är speciellt utformade för att ha. Fiberbryggning är handlingen av flera fibrer som utövar en kraft över sprickans bredd i ett försök att förhindra att sprickan utvecklas ytterligare. Denna förmåga är det som ger böjbar betong dess sega egenskaper.

Nedan listas några grundläggande mekaniska egenskaper hos ECC, eller Engineered Cementitious Composite , en specifik formel för HPFRCC, utvecklad vid University of Michigan . Denna information finns tillgänglig i Victor C. Lis artikel om (ECC)- Tailored Composites through Micromechanical Modeling. Den först listade egenskapen, den slutliga draghållfastheten på 4,6 MPa, är något större än den accepterade draghållfastheten för standardfiberarmerad betong ( 4,3 MPa). Mer anmärkningsvärt är dock det extremt höga slutliga töjningsvärdet på 5,6 % jämfört med de flesta FRC:s slutliga töjningsvärden som sträcker sig inom några hundradelar av en procent. Värdena för den första sprickspänningen och den första sprickan töjningsvärdena är signifikant låga jämfört med normal betong, båda resultatet av det multipla sprickfenomenet associerat med HPFRCC.

ECC Materialegenskaper
Ultimate Tensile Strength (σCU) 4,6 MPa
Ultimate Strain (εCU) 5,6 %
Första sprickspänning (σfc) 2,5 MPa
First Crack Strain (εfc) 0,021 %
Elasticitetsmodul (E) 22 GPa

Designmetodik

Grunden för den konstruerade designen av olika HPFRCC varierar avsevärt trots deras liknande sammansättning. Till exempel härrör designen av en typ av HPFRCC som kallas ECC från principerna för mikromekanik . Detta studieområde beskrivs bäst som att relatera makroskopiska mekaniska egenskaper till en komposits mikrostruktur, och är bara en specifik metod som används för att designa HPFRCC. En annan designmetodik som används i andra formler för HPFRCC är baserad på materialets förmåga att motstå seismisk belastning.

Ansökningar

Föreslagna användningsområden för HPFRCC inkluderar brodäck, betongrör, vägar, strukturer som utsätts för seismiska och icke-seismiska belastningar och andra tillämpningar där ett lättviktigt, starkt och hållbart byggmaterial önskas.

ECC har redan använts av Michigan Department of Transportation för att lappa en del av Grove Street Bridge-däcket över Interstate 94. ECC-lappen användes som en ersättning till den tidigare existerande expansionsfogen som länkade två däckplattor. Expansionsfogar, som vanligtvis används i broar för att möjliggöra säsongsmässig expansion och sammandragning av betongdäcken, är ett exempel på en allestädes närvarande konstruktionspraxis som så småningom skulle kunna elimineras genom användning av böjbar betong.

Andra existerande strukturer som består av HPFRCC, särskilt ECC, inkluderar Curtis Road Bridge i Ann Arbor, MI och Mihara Bridge i Hokkaido, Japan. Däcket på Mihara-bron, som består av böjbar betong, är bara fem centimeter tjockt och har en förväntad livslängd på etthundra år.

Även om HPFRCC har testats omfattande i labbet och använts i ett fåtal kommersiella byggnadsprojekt, krävs ytterligare långsiktig forskning och verklig tillämpning för att bevisa de verkliga fördelarna med detta material.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=High-performance_fiber-reinforced_cementitious_composites&oldid=1048539201 "